UNIVERSIDAD DE CHILE FACULTAD DE CIENCIAS … · adicionado en la elaboración de cemento Portland...

USO DE ESCORIA DE COBRE EN CEMENTOS

MEMORIA PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL

SEBASTIÁN ANDRÉS ORIZOLA GÓMEZ

PROFESOR GUÍA:

FEDERICO DELFÍN ARIZTÍA

MIEMBROS DE LA COMISIÓN:

DAVID CAMPUSANO BROWN

ATILANO LAMANA POLA

SANTIAGO DE CHILE

NOVIEMBRE 2006

UNIVERSIDAD DE CHILE

FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS Y MATEMÁTICAS

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA CIVIL

Trabajo de Título Uso de Escoria de Cobre en Cementos

2

ÍNDICE.

ÍNDICE. ............................................................................................................................2

Capítulo 1. ........................................................................................................................5

INTRODUCCIÓN

1.1. Planteamiento del problema.............................................................................. 5

1.2. Objetivos del estudio......................................................................................... 9

1.2.1. Objetivos Generales. ......................................................................................9

1.2.2. Objetivos Específicos. ....................................................................................9

Capítulo 2. ......................................................................................................................11

ANTECEDENTES Y RECOPILACIÓN BIBLIOGRÁFICA

2.1. Escoria de cobre. ............................................................................................ 11

2.1.1. Aspectos generales. .....................................................................................11

2.1.2. Obtención y descarte de escoria de cobre en la fundición Caletones. ..........13

2.1.3. Proceso de Granallado de Escoria de Cobre. ...............................................15

2.1.4. Investigaciones y usos a nivel mundial.........................................................17

2.1.5. Caracterización de escorias de cobre. .........................................................18

2.2. Aspectos generales sobre Cementos. ............................................................ 20

2.2.1. Materiales Aglomerantes inorgánicos...........................................................20

2.2.2. Fabricación del clínquer. ..............................................................................21

2.2.3. Molienda del clínquer. ..................................................................................23

2.2.4. Hidratación del cemento...............................................................................24

2.2.5. Efectos de los componentes.........................................................................25

2.2.6. Cementos con adiciones hidráulicas. ...........................................................26

2.3. Requisitos y Normativa Experimental. ............................................................ 28

Capítulo 3. ......................................................................................................................31

PLANTEAMIENTO DE LA INVESTIGACIÓN

3.1. Dosificaciones de morteros............................................................................. 32

3.2. Programa de ensayos. .................................................................................... 33


3

Capítulo 4. ......................................................................................................................34

CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES

4.1. Caracterización de la escoria de cobre. .......................................................... 34

4.1.1. Molienda........................................................................................................35

4.1.2. Caracterización química. ..............................................................................37

4.1.3. Caracterización mineralógica. ......................................................................38

4.2. Caracterización Cemento................................................................................ 39

4.2. Arena Normal . ................................................................................................ 40

4.3. Agua................................................................................................................ 40

4.4. Aditivo. ............................................................................................................ 41

Capítulo 5. ......................................................................................................................42

PRESENTACIÓN DE RESULTADOS

5.1. Propiedades del cemento fresco..................................................................... 42

5.2. Calor de hidratación. ....................................................................................... 44

5.4. Resistencias Mecánicas.................................................................................. 45

5.5. Resistencia al ataque de Sulfatos. .................................................................. 48

5.6. Expansión en Autoclave.................................................................................. 49

5.7. Lixiviación. ...................................................................................................... 51

Capítulo 6. ......................................................................................................................52

ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS

6.1. Caracterización de la escoria de Cobre. ..........................................................52

6.2. Determinación de la consistencia normal........................................................ 52

6.3. Determinación del tiempo de fraguado. .......................................................... 53

6.4. Calor de hidratación. ....................................................................................... 54

6.5. Resistencia a la flexotracción y a la compresión............................................. 55

6.6. Resistencia al ataque de Sulfatos. (Norma ASTM C1012 - 04) ...................... 56

6.7. Expansión en Autoclave.................................................................................. 59

6.8. Lixiviación. ...................................................................................................... 59


4

Capítulo 7. ......................................................................................................................60

CONCLUSIONES

Bibliografía. ....................................................................................................................63

ANEXOS ........................................................................................................................66


5

Capítulo 1.

INTRODUCCIÓN.

1.1. Planteamiento del problema.

Los procesos extractivos y metalúrgicos involucrados en las actividades mineras,

generan una gran cantidad de residuos, los que poseen materiales minerales y

principalmente escorias que son potencialmente recuperables. Actualmente existe una

tendencia mundial a buscar y estudiar nuevas formas de utilización ó aprovechamiento

de estos residuos, lo que se debe a diversos factores, tales como el agotamiento de

zonas favorables para el depósito, el aumento de los costos de botaderos, legislaciones

restrictivas en lo que a producción de residuos respecta, entre otros.

A la vez, la demanda de cemento Portland se incrementa conforme aumenta la

población mundial, aumentando consecuentemente los altos requerimientos energéticos

y la fuerte emisión de contaminantes asociados a la industria cementera. La producción

de cemento es un proceso de alta demanda energética de combustibles

(aproximadamente 4,000 kJ/kg de cemento, con 25% de pérdidas) y con alta emisión de

contaminantes (0.85 – 1 kg CO2/kg cemento) por descarbonatación de materia prima y

uso de combustibles (Ref 1). La producción mundial de cemento es de aproximadamente

2100 millones de toneladas anuales1, con la consecuente emisión de casi la misma

cantidad de CO2. Por esto las restricciones ambientales impuestas a las cementeras

son cada vez más estrictas, lo que ha obligado a la optimización de procesos o a la

búsqueda de alternativas para la resolución de los diversos problemas y necesidades

actuales. En este sentido, la utilización de residuos tiene cabida como adiciones de

reemplazo parcial de cemento Portland.

1 Cifra estimada año 2004, fuente Cementos Bio Bio S.A.


6

Los materiales alternativos pueden ser de tipo puzolánicos, los cuales son aquellos de

composición rica en SiO2, similares a las cenizas volcánicas utilizadas por los romanos,

y por otro lado pueden ser materiales hidráulicos, entre los que se encuentran la escoria

de alto horno (la más comúnmente empleada), y escorias no ferrosas, entre las que se

encuentra la escoria de cobre. Pueden considerarse como materiales sintéticos dado

que son subproductos y en términos generales requieren de molienda antes de ser

empleados como reemplazo del cemento Portland.

Para los materiales de reemplazo de cemento Portland generalmente se requiere

un estado estructural amorfo (como los vidrios), esto es, con alta energía interna y por

lo tanto muy inestables termodinámicamente y muy reactivos químicamente.

Las propiedades primordiales de interés para los usuarios de materiales de

construcción son la resistencia mecánica y durabilidad. Algunas ventajas que pueden

explotarse del empleo de materiales cementicios sustituidos constituidos parcialmente

por desechos o subproductos son los siguientes (con respecto de los materiales

basados en cemento Portland):

� Propiedades mecánicas similares o en muchos casos superiores.

� Durabilidad mejorada a ambientes químicos agresivos (agua de mar, pisos en

plantas químicas, etc)

� Extensión de la capacidad de producción del cemento cuando se usan como

reemplazo (10 – 90%) sin requerir de procesamiento térmico adicional (ahorro de

energía y menor contaminación).

� Reducción de la acumulación de desechos en botaderos o rellenos.

De esta manera se han realizado diversos estudios en el ámbito nacional e

internacional para encontrar nuevos usos para los residuos provenientes de industrias

como la minería y así obtener los beneficios ecológicos y económicos asociados,

permitiendo alcanzar el llamado “Desarrollo Sustentable”, el cual busca la generación

de bienestar para las generaciones actuales pero sin comprometer el bienestar de las

generaciones venideras.


7

En el ámbito internacional estos residuos son utilizados como aditivos o

agregados en estabilización de suelos, siendo también empleados los desechos

minerales, tales como escorias, en el reemplazo de cemento Pórtland en los rellenos de

minas.

Es así como se ha invertido energía en la transformación de las escorias a

subproductos. De esta manera es como la vitrificación, que se logra dando un choque

térmico (enfriando bruscamente) a la escoria luego del sangrado, y molienda de

escorias ferrosas, tal como la escoria de alto horno, produce un material que puede ser

adicionado en la elaboración de cemento Portland para la manufactura de concreto.

Esta tecnología de utilización de escorias granuladas de alto horno como material

aglomerante ha sido desarrollada ampliamente en Europa, Estado Unidos y Chile,

dando lugar a los cementos Portland Siderúrgicos y cementos Siderúrgicos.

Por el contrario, para las escorias no ferrosas, tales como la escoria de cobre, no

se ha dado el mismo desarrollo a nivel mundial, y en mucho menor grado en el ámbito

nacional donde el estudio de su aplicaciones en cementos son casi nulas.

En Chile, la gran minería del cobre es la más importante actividad industrial, por

lo cual produce una gran cantidad de residuos, en particular escorias derivadas de los

procesos de fundición y refinación. Es por esto que existe una necesidad latente de

buscar posibles aplicaciones para la escoria de cobre tanto técnica como

económicamente factibles en el ámbito nacional, que permitan cambiar la situación

actual de acumulación de escoria como desecho y el consiguiente impacto ambiental.

Actualmente se conocen diversas aplicaciones y usos para la escoria de cobre,

en áreas tales como:

� Abrasivos.

� Elementos prefabricados de cemento.

� Aislantes térmicos.

� Materiales cerámicos y vitrocerámicos.

� Estabilizado de caminos y material de relleno.

� Cementos de construcción.


8

Estas aplicaciones y las mismas motivaciones planteadas anteriormente han

llevado a producir diversos estudios internacionales en lo que respecta a la escoria de

cobre y su uso como adición en cementos, de la misma manera que su adición en

morteros de cemento en reemplazo de agregado fino. Todos estos estudios han

mostrado que la escoria de cobre mantiene o mejora las propiedades mecánicas de los

morteros de cemento.

Las propuestas de materiales adhesivos nuevos o de combinaciones nuevas

siempre vienen acompañadas de ciertas dudas: ¿será durable el material?, ¿soportará

las condiciones a la que se expondrá?, ¿mantendrá sus propiedades mecánicas y

estéticas?, por esta razón la introducción de nuevos materiales de construcción no es

trivial, especialmente cuando hay vidas humanas que dependen de la solidez y

durabilidad de una estructura o construcción. Lo cierto es que existe una latente

necesidad de alternativas de reemplazo al cemento.

El presente trabajo de título pretende estudiar el comportamiento de las

principales propiedades de los morteros de cemento con adición de escoria de cobre en

reemplazo de porcentaje en peso de cemento Portland. Entre las propiedades a

estudiar se encuentra la cantidad de agua para obtener consistencia normal, el cambio

de longitud, tiempo de fraguado, calor de hidratación, lixiviación y resistencias

mecánicas.

De la misma manera se estudiará la composición química y mineralógica de la

escoria de cobre, en los aspectos que puedan influir en su reactividad con los productos

de la hidratación del cemento Portland.

La escoria a utilizar en el presente estudio proviene de la fundición de Caletones,

de la división El Teniente de CODELCO.


9

1.2. Objetivos del estudio.

1.2.1. Objetivos Generales.

� Estudio de las propiedades puzolánicas de la escoria proveniente del proceso

de refinación del cobre, obtenida mediante enfriamiento rápido en la fundición

de Caletones, de la división El Teniente de CODELCO.

� Estudio del comportamiento de la escoria de cobre como adición en la

fabricación de cementos hidráulicos en relación a la normativa chilena.

� Evaluar la factibilidad técnica de emplear la escoria de cobre como adición en

cementos hidráulicos.

1.2.2. Objetivos Específicos.

� Estudio y caracterización de la escoria de cobre proveniente de la fundición

de Caletones, de la división El Teniente de CODELCO, tanto del punto de

vista químico como mineralógico.

� Determinación de resistencias mecánicas, como indicador de la actividad

puzolánica de la escoria de cobre, a flexotracción y compresión, a distintas

edades y con distintos porcentajes de adición (25% y 40% de escoria de

cobre en reemplazo de cemento Portland), de probetas de mortero estándar

elaborados con cementos con adiciones de escoria en distintos porcentajes

(25% y 40%)

� Estudio de los efectos de las adiciones de escoria de cobre en las

propiedades de morteros en estado fresco y endurecido. Particularmente la

consistencia normal, el tiempo de fraguado, calor de hidratación y resistencia

al ataque de sulfatos.


10

� Estudio de la capacidad de retención de elementos químicos contaminantes

en el mortero a mediano y largo plazo mediante lixiviación.


11

Capítulo 2.

ANTECEDENTES Y RECOPILACIÓN BIBLIOGRÁFICA.

A continuación se expondrán los antecedentes requeridos para el desarrollo del

presente trabajo, entre los que se encuentran los referidos a la escoria de cobre y las

diversas aplicaciones estudiadas en el ámbito internacional para este material,

antecedentes básicos sobre el cemento Portland y resúmenes de los procedimientos

experimentales a realizar dados por sus respectivas normas.

2.1. Escoria de cobre.

2.1.1. Aspectos generales.

La escoria de cobre se obtiene como material de desecho a partir del proceso de

refinación de dicho metal, el que se realiza a través de procesos pirometalúrgicos de

minerales sulfurados de cobre, los que previos a la fusión han sido concentrados

mediante el proceso de flotación.

Durante la fundición del material concentrado se producen dos fases líquidas

separables o inmiscibles: la mata rica en cobre y la escoria. La mata, según su

contenido de cobre, continúa luego en el proceso de refinación, mientras que la escoria

fundida se descarga directamente o pasa a procesos de recuperación de cobre (Ref 2).

La escoria se forma a partir de los óxidos contenidos en la carga del horno y de

los óxidos de hierro que se producen por la oxidación durante el procesamiento

pirometalúrgico. Dependiendo de la naturaleza de los minerales, de los concentrados,

de los fundentes, de las condiciones de operación y otros diversos factores, los

principales óxidos que se presentan en la escoria son: (Ref 3)


12

� Óxido de hierro (como FeO, Fe3O4) de 30% a 40%

� Óxido de sílice (SiO2) de 35% a 40%

� Óxido de aluminio (Al2O3) hasta 10%

� Óxido de calcio (CaO) hasta 10%

Específicamente, la escoria proveniente de la fundición Caletones, que es la que

se utilizó en el presente estudio, posee según estudios realizados con anterioridad las

siguientes características: (Ref 10)

� Constituyentes predominantes: Sílice, Aluminio, Fierro.

� Otros constituyentes en Silicatos: Calcio.

� Metales ocasionales: No tiene.

� Compuestos de cobre detectados: Eje, Sulfuros, Cobre Metálico.

� Otros elementos del eje: Fierro, Azufre, Arsénico.

Y de la misma manera, la escoria de Cobre contiene los siguientes compuestos

de manera predominante:

Tabla I. Compuestos predominantes escoria de cobre Fundición Caletones.

Componente Porcentaje (%)

Cobre (Cu) 0,86

Magnetita (Fe3O4) 6,6

Fierro (Fe) 42,6

Sílice (SiO2) 32,7

Alumina (Al2O3) 6,6

Otros 10,64

En la fundición de Caletones se cuenta con una planta de granalla de escoria de

cobre, en la cual se obtiene Escoria granallada, la que es el producto de enfriar

bruscamente la escoria fundida luego del sangrado, con lo cual el efecto de choque

térmico produce una estructura vitrificada altamente amorfa, y en forma de granos de

tamaños inferiores a 1 cm de diámetro.


13

2.1.2. Obtención y descarte de escoria de cobre en la fund ición Caletones. (Ref 4)

Para el caso particular de la fundición de Caletones, el proceso de generación de

escoria se aprecia gráficamente en la Figura 2. El mineral obtenido en la mina El

Teniente, es chancado y molido para ser concentrado mediante flotación en el

concentrador Colón. El concentrado así obtenido es filtrado y secado resultando con un

8% de humedad. Luego, el concentrado pasa al horno de reverbero, el cual produce

mata (sulfuro de cobre y fierro) con un contenido de cobre de 50% y, como

subproducto, escoria de cobre que va a botadero. El eje o mata se vacía por el fondo

del horno de reverbero y se transporta a los hornos convertidores para continuar su

procesamiento pirometalúrgico.

Como producto del convertidor Teniente se obtiene metal blanco. que posee un

75% de cobre, el que alimenta al convertidor convencional y, como residuo, se obtiene

escoria de convertidor que recircula al horno de reverbero o al horno de limpieza de

escoria, ya que posee un alto contenido de cobre (aproximadamente un 8%).

Del horno de limpieza de escoria se obtiene una mata enriquecida con un 70%

en cobre, el cual recircula al convertidor Teniente y, como residuo, se obtiene una

escoria que posee un 0.8% de cobre, la que va a botadero.

Del convertidor convencional se obtiene como producto final cobre blíster, con

una pureza de 99.4% de cobre, el que pasa a un horno de retención, y luego a ruedas

de moldeo donde toma la forma de barras, o bien, pasa a refinación en hornos de

refinado a fuego (hornos de ánodos).

El descarte de escorias a botadero se realiza por dos vías: ferrocarril para el caso

de las escorias de horno de reverbero, o mediante camión, para las escorias del horno

de limpieza.


14

Ilustración 1. Proceso de generación de escoria de cobre en fundición Caletones (Ref 4).


15

2.1.3. Proceso de Granallado de Escoria de Cobre. (Ref 4)

El proceso utilizado en la fundición Caletones para la obtención de escoria de

cobre granallada es la Granulación de escorias de cobre. Este proceso consiste en la

verter la escoria fundida en un pozo de granulación o granallador, el que mantiene una

cantidad de agua constante que se renueva de acuerdo a la granulación que se realice,

dentro del cual se produce el enfriamiento brusco (casi instantáneo) de la escoria, la

que pasa de una temperatura de aproximadamente 1150 °C a menos de 100 °C. Esto

provoca que la escoria pase de un estado fundido a un estado de granos sólidos. En

este proceso no se producen modificaciones químicas o reacciones químicas que

alteren la composición de la escoria, sino que ocurren cambios mecánicos y físicos al

cambiar de estado fundente a granos sólidos.

Una vez producida la granulación de escoria, se forma una suspensión agua –

escoria granulada la que es llevada a un sistema de separación sólido – líquido. El agua

obtenida de esta separación posee una temperatura mayor a su temperatura en

condiciones normales, por lo que debe ser enviada a torres de enfriamiento, donde una

vez tratada, el agua es reciclada al granallador. La escoria granulada obtenida con una

humedad de 10 – 12% aproximadamente, es llevada a una cancha de acopio.

Luego, la escoria granulada pasa a una etapa de clasificación donde mediante

mallas se desechan los granos que no corresponden a la granulometría especificada

para granos abrasivos (que es el único uso actual de la escoria de cobre de la fundición

Caletones). Los granos desechados van a botadero y los granos útiles van a una

cancha de acopio, donde son almacenados.

El proceso descrito, se puede apreciar de manera gráfica en la figura 2.


16

Ilustración 2. Proceso de granallado de escoria de cobre en la fundición Caletones (Ref 4).


17

2.1.4. Investigaciones y usos a nivel mundial.

Durante la década de los 70 las escorias de cobre comenzaron a ser utilizadas

en Europa y Australia reemplazando parcialmente el cemento Pórtland en rellenos

cementicios para el saneamiento de minas subterráneas abandonadas. Un estudio

realizado a comienzos de los ochenta se centra en analizar el calor de hidratación de

mezclas de escoria con cal en distintos porcentajes. Los resultados plantean la

necesidad de que la escoria debe estar en estado vítreo para que ocurra la

hidratación(Ref 5).

A mediados de los ochenta, aproximadamente un 45% de las escorias de cobre

eran utilizadas en Canadá como agregados en construcciones básicas y rellenos de

ingeniería, siendo el resto descartado en botaderos. Luego del éxito alcanzado

principalmente en Australia en rellenos de minas, nació el interés por estudiar en

profundidad esta aplicación, con el fin de bajar los costos de las operaciones mineras y

los de transporte de cemento hacia áreas de fundición remotas, así como disminuir las

áreas de botadero y su consecuente impacto ambiental. De esta manera se ha obtenido

empíricamente a través de dichas investigaciones una directa relación entre el grado de

finura y el contenido vítreo con respecto a la actividad puzolánica y el desarrollo de

resistencia mecánica (Ref 6).

Un estudio más profundo se llevó a cabo en dicha década (Ref 7), analizando

mezclas de cemento Portland-escoria de cobre en 35% y 70% en peso, el cual mostró

entre sus resultados la confirmación de la información respecto del aumento de la

resistencia mecánica según el grado de molienda de la escoria, y a la presencia de fase

vítrea.

Los diversos estudios realizados y las patentes que se han desarrollado a partir

de estos han desembocado en la inclusión de la Norma Europea Experimental,

aprobada por el Comité Europeo de Normalización en 1992, de los cementos

elaborados con escoria de cobre como adición en cemento Pórtland, limitando su

incorporación hasta un 15% en peso. En esta norma se considera este material como

una puzolana industrial (Ref 8).


18

Por otro lado, también se han hecho estudios respecto a las propiedades de

cementos utilizando escoria de cobre como sustituto de agregado fino, en las que se

observa un aumento en la resistencia para reemplazos de hasta un 80% de arena,

constituyendo una aplicación de menor costo de producción debido a no involucrar los

altos gastos de molienda que hay que considerar al trabajar la escoria como adición

hidratante en cemento Portland (Ref 9) .

En el ámbito nacional se tiene referencia de un solo estudio realizado en cuanto

a la factibilidad técnica de utilizar escoria de cobre como reemplazo de cemento

Portland y de agregado fino, el cual tuvo como resultado la comprobación de lo

estudiado internacionalmente y presentado en los párrafos anteriores, además se

comprobó que los morteros con adición de puzolana en reemplazo de cemento Pórtland

(10%, 20% y 30%) cumplen los tiempos mínimos de fraguado establecidos por la

normativa nacional, al igual que las resistencias mecánicas y los índices de actividad

puzolánica. De la misma manera comprobó que la escoria granallada como agregado

fino (en reemplazo de 25% y 50%) mantiene las resistencias mecánicas de los morteros

con arena normalizada. Así se concluyó que la para este nivel de estudio es totalmente

factible la utilización de la escoria de cobre en cementos ya sea como reemplazo al

cemento Pórtland ó agregado fino, viendo una buena proyección a futuro para este

material en el área de la construcción (Ref 10).

2.1.5. Caracterización de escorias de cobre.

Las escorias que han sido estudiadas a escala internacional para ser utilizadas

en aplicaciones industriales, abarcan un amplio espectro de características de acuerdo

a su origen. Las diferencias en el contenido vítreo, dureza en la molienda y actividad

puzolánica son factores relevantes a considerar al determinar la factibilidad técnica de

su utilización. Estas características dependen directamente de las composiciones

químicas que se presentan en las escorias, producto del origen mineral del material, así

como de los procesos de producción empleados en las fundiciones.

De acuerdo a los datos publicados en numerosas publicaciones, el contenido de

fase vítrea de las escorias de cobre depende de la velocidad de enfriamiento de ésta


19

luego del sangrado. De esta forma, el contenido de vidrio medido principalmente con

difracción de rayos X, puede ir desde 75% a 95% para las escorias enfriadas

bruscamente, es decir a través de un choque térmico; mientras que en las enfriadas

lentamente, éste puede disminuir hasta un 45% (Ref 11).

Con respecto a la molienda de la escoria de cobre, se ha comprobado que los

consumos de energía necesarios son mayores que los requeridos para moler clínquer

de cemento o escoria de alto horno. De la misma manera, se debe aumentar la energía

utilizada para moler las escorias con mayor grado de vitrificación.

Por otro lado, se ha establecido que existiría una directa relación entre el grado de

finura de la escoria y el desarrollo de resistencias en muestras de cemento con adición,

obteniéndose mejores resultados para escorias enfriadas bruscamente.


20

2.2. Aspectos generales sobre Cementos.

2.2.1. Materiales Aglomerantes inorgánicos.

Los materiales aglomerantes comprenden la variedad de productos cerámicos

que pueden mezclarse con agua para formar una pasta. La pasta, que es plástica

temporalmente, se puede moldear y puede o no tener agregados incluidos en ella. Más

tarde, se endurece o fragua como resultados de reacciones químicas en una masa

compacta. (Ref 12)

Los cementos hidráulicos más complejos adquieren sus propiedades

aglomerantes de la formación de nuevos compuestos químicos durante el proceso de

fabricación. El término hidráulico aplicado a los cementos, significa que es capaz de

desarrollar resistencia mecánica y endurecerse en presencia de agua.

Según la norma chilena NCh 148 (Ref 13), el cemento es un material pulverizado

que por adición de agua forma una pasta conglomerante capaz de endurecer tanto bajo

el agua como en el aire. El tipo de cemento más importante es el cemento Portland, no

sólo por ocupar el primer lugar en la producción mundial, sino también por ser la base

de fabricación de los otros conglomerantes llamados cementos con adiciones

(puzolánicos, siderúrgicos, con cenizas volantes, etc).

La fabricación del cemento Portland se realiza a partir del clínquer

correspondiente, producto constituido principalmente por silicatos de calcio. El clínquer

de cemento Portland se obtiene por calentamiento hasta una temperatura inferior a la

temperatura de fusión incipiente, de una mezcla homogénea de materias primas

finamente molida, formada principalmente por óxidos de calcio (CaO) y silicio (SiO2), y

por óxidos de aluminio (Al2O3) y fierro (Fe2O3) en menor medida. En la fabricación del

cemento se distinguen dos etapas: producción del clínquer y molienda del cemento. (Ref

12)


21

2.2.2. Fabricación del clínquer.

Las materias primas para la fabricación del clínquer antes mencionadas, se

obtienen de materiales calcáreos (caliza), arcillas y correctores de dosificación, las que

deben ser agregadas al proceso en proporciones adecuadas de acuerdo al contenido

que tengan cada uno de los óxidos requeridos. Dependiendo de su naturaleza y de las

condiciones en las que llegan a la planta pueden sufrir uno o varios tratamientos

primarios: cribado o harneado, reducción de tamaño, prehomogeneización y secado.

Esto se hace con el fin de optimizar el rendimiento de los molinos de la etapa

posterior.(Ref 12)

La molienda de las materias primas tiene por objeto reducirlas de tamaño a un

estado pulvurento, para que puedan reaccionar químicamente durante la

clinquerización, al mismo tiempo de obtener el mezclado de los distintos materiales. Los

molinos comúnmente utilizados son de bolas, barras o pendulares, obteniéndose un

polvo fino de tamaño inferior a 100 micrones. En ocasiones se inyecta aire caliente al

molino para secar las materias primas.

Posteriormente, se realiza la homogenización de los materiales con el fin de

asegurar la calidad del clínquer, así como para corregir las dosificaciones y mantener

una adecuada operación en el horno. Esto se puede realizar en silos, donde el crudo se

agita mediante la inyección de aire comprimido, lo que a su vez permite almacenar

material para mantener en operación el horno, pese a la detención de los molinos,

evitando así el deterioro de este por eventuales detenciones.

La clinquerización constituye la etapa más importante del proceso. Los

materiales homogenizados se calientan hasta llegar a la temperatura de fusión

incipiente, para que se produzcan las reacciones químicas que dan lugar a la formación

de los principales compuestos mineralógicos del clínquer:

� Silicato tricálcico (C3S)

� Silicato bicálcico (C2S)

� Aluminato tricálsico (C3A)

� Ferroaluminato tetracálcico (C3AF)


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Las reacciones se ilustran en la ecuación (1), en donde se muestran los cuatro

componentes principales del cemento, en forma de productos de reacción (Ref 14).

(CaO + CO2) + (SiO2 + Al2O3 + Fe2O3 + H2O) + calor (1)

(Cal + dióxido de carbono) + (sílice + alúmina + óxido férrico + agua) + calor

(caliza)

� (3CaO⋅SiO2 + 2CaO⋅SiO2 + 3CaO⋅Al2O3 + 4CaO⋅Al2O3⋅Fe2O3)

(silicato tricálcico + silicato dicálcico + aluminato tricálcico + ferroaluminato tetracálcico)

(cemento)

Cada uno de estos compuestos, que constituyen más del 90% del peso de

cemento, los cuales son silicato tricálcico (C3S), silicato dicálcico (C2S), aluminato

tricálcico (C3A) y ferroaluminato tetracálcico (C4AF), puede identificarse en la estructura

del clínquer, aportando cada uno propiedades características que determinan la mezcla

final.

La temperatura de rotación fluctúa entre 1.400ºC y 1.500ºC, utilizando para ello

hornos rotatorios, con inclinaciones de 3% a 5%. Su diámetro y longitud dependen de la

capacidad de producción para la cual fueron diseñados, pudiendo tener largos de 60 a

200 metros y diámetros de 2 a 6 metros.

El material crudo se alimenta por la parte superior en contracorriente con los

gases del horno y, gracias al movimiento e inclinación del mismo, se va desplazando

hacia la sección de mayor temperatura hasta llegar a la zona de la llama, donde se

produce la clinquerización.

A medida que el crudo avanza por el horno sufre diversas transformaciones:

1- Secado del agua libre.

2- Deshidratación o pérdida del agua combinada.

3- Disociación del carbono de calcio en la cal (CaO) y anhídrido

carbónico.

4- Clinquerización o combinación de los diferentes óxidos para formar

silicatos, aluminatos y ferroaluminatos de cal.


23

Al salir del horno, el clínquer debe enfriarse rápidamente para evitar la

descomposición del silicato, debiendo salir del sistema de enfriamiento con una

temperatura inferior a 150ºC.

2.2.3. Molienda del clínquer.

La etapa posterior la constituye la molienda del clínquer, yeso y otros

componentes para formar el cemento Portland, lo que consiste en reducir dichos

materiales a un polvo fino de tamaño inferior a 150 micrones en molinos de bolas.

Luego, el producto es almacenado en silos de hormigón, los que cuentan con equipos

auxiliares adecuados para mantener el cemento en agitación y así evitar la segregación

por decantación de los granos gruesos o la aglomeración, pudiendo mantener de esta

forma el cemento almacenado por varios meses.

Finalmente, el cemento es envasado en bolsas de papel para su

comercialización, o es transportado a granel a los puntos de distribución.

Los componentes que se adicionan al clínquer durante la molienda pueden ser

puzolanas (naturales o artificiales) o escoria de alto horno, los que se añaden para

reducir costos de fabricación de material, aprovechando las propiedades puzolánicas de

estos materiales. A partir de estos se fabrican los cementos comerciales en Chile como

puzolánicos y siderúrgicos.


24

2.2.4. Hidratación del cemento. (Ref 12)

Cuando se agrega agua al cemento Portland, los compuestos básicos presentes

en la ecuación (1) se transforman en nuevos compuestos por reacciones químicas (2).

Silicato tricálcico + agua � gel de tobermorita + hidróxido de calcio (2)

Silicato dicálcico + agua � gel de tobermorita + hidróxido de calcio

Ferroaluminato tetracálcico + agua + hidróxido de calcio � hidrato de calcio

Aluminato tricálcico + agua + hidróxido de calcio � hidrato de aluminato tricálcico

Aluminato tricálcico + agua + yeso � sulfoaluminatos de calcio

Los silicatos de calcio dicálcico y tricálcico, que constituyen alrededor del 75%

del peso de cemento Portland, reaccionan con el agua para producir dos nuevos

compuestos: gel de tobermorita (C-S-H) el cual es no cristalino e hidróxido de calcio

que es cristalino. En la pasta de cemento completamente hidratada, el hidróxido de

calcio constituye el 25% en peso y el gel de tobermorita, alrededor del 50%. La tercera y

cuarta reacciones en la ecuación (2) muestran como se combinan los otros dos

compuestos principales del cemento Portland con el agua para formar productos de

reacción. En la última reacción aparece el yeso, compuesto agregado al clínquer

durante la molienda para controlar el fraguado.

Cada producto de las reacciónes de hidratación posee propiedades

características en cuanto al comportamiento mecánico de la pasta endurecida. El más

importante de ellos es el compuesto llamado gel de tobermorita, el cual es el principal

compuesto aglomerante de la pasta de cemento. Este gel tiene composición y

estructura semejantes a la de un mineral natural, llamado tobermorita, debido a que fue

descubierto en la zona de Tobermory en Escocia. Este gel es una sustancia coloidal,

extremedamente fina, con estructura coherente. La enorme superficie específica del gel

(alrededor de 3.000.000 de cm2 por gramo) produce fuerzas atractivas entre las

partículas, porque los átomos en cada superficie tratan de completar sus enlaces no

saturados por medio de absorción. Estas fuerzas ocasionan que las partículas de gel

tobermorita se adhieran entre si y con otras partículas introducidas en la pasta de


25

cemento. Por tanto, el gel de tobermorita forma la base de la pasta de cemento

endurecida y del concreto, porque liga o aglutina entre sí a todos los componentes.

2.2.5. Comportamiento de las fases componentes. (Ref 12)

Cada uno de los cuatro compuestos principales del cemento Portland contribuye

en el comportamiento del mismo, cuando pasa del estado plástico al endurecido

durante el proceso de hidratación. El conocimiento del comportamiento de cada uno de

los compuestos principales durante la hidratación permite ajustar las cantidades de

cada uno durante la fabricación, para producir las propiedades deseadas en el cemento.

� Silicato tricálcico (C3S): es el que produce el desarrollo de resistencia del

cemento Portland hidratado en las primeras semanas. Pasa del fraguado

inicial al final en unas cuantas horas. La reacción del C3S con agua, al

igual que la de los otros compuestos es exotérmica, desprende una gran

cantidad de calor llamado calor de hidratación. La rapidez del

endurecimiento de la pasta de cemento está en relación directa con el

calor de hidratación, cuanto más rápido sea el fraguado, tanto mayor será

la exotermia. El C3S hidratado alcanza gran cantidad de su resistencia en

siete días.

� Silicato dicálcico (C2S): se encuentra en tres formas diferentes designadas

alfa, beta y gama. Dado que la fase alfa es inestable a la temperatura

ambiente y la fase gama no muestra endurecimiento al hidratarla, sólo la

fase beta es importante en el cemento Portland. El C2S beta requiere

algunos días para fraguar. Es el causante principal de la resistencia

posterior a de la pasta de cemento Portland. Debido a que la reacción de

hidratación avanza con lentitud, hay un bajo calor de hidratación. El

compuesto C2S beta en el cemento Portland desarrolla menores

resistenciasque el C3S en las primeras edades, sin embargo, aumenta

gradualmente, alcanzando a unos tres meses una resistencia similar a la

del C3S.


26

� Aluminato tricálcico (C3A): presenta fraguado instantáneo al hidratarse. Es

el causante primario del fraguado inicial del cemento Portland y desprende

grandes cantidades de calor durante la hidratación. El yeso agregado al

cemento Portland durante la molienda en el proceso de fabricación, se

combina con el C3A para controlar el tiempo de fraguado. El compuesto

C3A muestra poco aumento en la resistencia después de un día. Aunque

el C3A hidratado, por sí solo, produce una resistencia muy baja, su

presencia en el cemento Portland hidratado produce otros efectos

importantes. Un aumento en la cantidad de C3A en el cemento Portland

ocasiona un fraguado más rápido y, también disminuye la resistencia del

producto final al ataque por sulfatos.

� Ferroaluminato tetracálcico (C4AF): es semejante al C3A, porque se

hidrata con rapidez y sólo desarrolla baja resistencia. No obtante, al

contrario del C3A, no interfiere en el proceso de fraguado.

La rapidez de hidratación es afectada, además de la composición, por la finura

de la molienda, la cantidad de agua agregada y las temperaturas de los componentes al

momento de mezclarlos. Para lograr una hidratación más rápida, los cementos se llevan

a altos niveles de finura (> 5000 cm2/g) hasta dejarlos muy finos. El aumento de la

temperatura de curado y la presencia de una cantidad suficiente de agua contribuyen a

la rapidez de la reacción.

2.2.6. Cementos con adiciones hidráulicas.

Los cementos con adiciones puzolánicas producidos en Chile se clasifican en la

norma chilena NCh 148 Of68 de acuerdo a la cantidad de adición en peso respecto al

cemento Pórtland:

� Cemento Pórtland puzolánico (hasta 30% de puzolana).

� Cemento puzolánico (entre 15% y 50% de puzolana).

� Cemento Pórtland siderúrgico (hasta 30% de escoria de alto horno).

� Cemento siderúrgico (entre 30% y 75% de escoria de alto horno).


27

Los cementos puzolánicos son el producto de la molienda conjunta de clínquer,

puzolana y yeso. Se llama puzolana al material sílico-aluminoso que, aunque no posee

propiedades aglomerantes por sí solo, las desarrolla cuando está finamente dividido y

en presencia de agua, por reacción química con el hidróxido a temperatura ambiente.

Las puzolanas aprovechan para endurecer el hidróxido de calcio (Ca(OH)2) generado

por el clínquer durante el curso de su hidratación. La cantidad de puzolana en un

cemento está limitada a un 50% del producto terminado, ya que para cantidades

mayores no existiría suficiente hidróxido de calcio para reaccionar con el exceso de

adición.

Los cementos siderúrgicos son producto de la molienda del clínquer de cemento

Portland, escoria básica de alto horno y yeso. La escoria básica de alto horno “es el

producto que se obtiene en el proceso metalúrgico como una masa no metálica que

resulta en el tratamiento del mineral de hierro en un alto horno”. Este material tiene

como constituyentes principales silicatos y sílico- aluminatos de calcio.

La tendencia mundial, actualmente, es la de fabricar cementos con adiciones

cuando éstas están disponibles, por razones de orden económico, ecológico y técnico.

Los cementos con adiciones han mostrado tener muchas cualidades ventajosas

respecto a los cementos Portland, como por ejemplo: menor calor de hidratación, mayor

resistencia química, y en consecuencia, mayor durabilidad, y altas resistencias

mecánicas a largo plazo.

La principal diferencia entre las escorias de alto horno y las no ferrosas, entre las

que se encuentra la escoria de cobre, es el contenido de CaO, el cual es mucho mayor

en las escorias siderúrgicas, lo que explica la diferenciación en las propiedades

cementicias de ambos materiales, ya que, tal como se mencionó anteriormente , la

escoria de alto horno posee propiedades aglomerantes por sí sola, mientras que la

escoria de cobre, no posee tales propiedades o son poco significativas.


28

2.3. Requisitos y Normativa de Ensayos.

Para un buen desarrollo del trabajo experimental, y por sobre todo, para contar

con datos experimentales confiables y comparables con los que entrega el control de

calidad, cada uno de los ensayos realizados se basó en la norma correspondiente que

lo rige, ya sea esta Norma Chilena NCh ó Norma ASTM. Cada una de las normas de

ensayo utilizadas contaba con la implementación de laboratorio adecuada en la sección

de Aglomerantes de IDIEM, laboratorio en el cual se llevó a cabo la mayor cantidad de

los ensayos cuyos resultados se muestran en el presente trabajo.

A continuación se presenta un resumen de los ensayos a realizar para evaluar el

comportamiento de morteros con cementos experimentales con sus respectivas normas

y requisitos generales exigidos por la misma.

- Los requisitos químicos para los cementos se establecen en la norma NCh 148

Of68. (Ref 16)

Tabla II. Requisitos químicos para los cementos.

Cementos

siderúrgicos

Cementos

puzolánicos

Cementos con

agregado tipo A

Cemento

Portland

Portland

siderúrgico

siderúrgico Portlad

puzolánico

puzolánico Portland

con

agregado

tipo A

Con

agregado

tipo A

Pérdida por

calcinación

máx(%)

3,0

5,0

5,0

4,0

5,0

7,0

9,0

Residuo

Insoluble

máx(%)

1,5

3,0

4,0

30,0

50,0

21,0

35,0

Contenido

de SO3

máx(%)

4,0

4,0

4,0

4,0

4,0

4,0

4,0

Contenido

de MgO

máx(%)

5,0

-

-

-

-

-

-


29

- Para el ensayo de la determinación de la consistencia normal se utilizó la norma

NCh 151. Of68 – Cemento – Método de determinación de la consistencia normal. (Ref 17)

- Para el ensayo de la determinación del tiempo de fraguado se utilizó la norma

NCh 152. Of71 – Cemento – Método de determinación del tiempo de fraguado. (Ref 18)

En esta se establecen los tiempos de fraguado inicial mínimo y tiempo de fraguado final

máximo para los cementos corrientes y de alta resistencia, cuyos valores se muestran a

continuación.

Tabla III. Requisitos de tiempos de fraguado.

Tiempo de fraguado

Grado Inicial mínimo (min) Final máximo (h)

Corriente 60 12

Alta resistencia 45 10

- Para el ensayo de la determinación del calor de hidratación se utilizó la norma

ASTM C 186-05 – Standard Test Method for Heat of Hydration of Hydraulic

Cement.(Ref19)

- Para los ensayos de determinación de resistencias mecánicas se utilizó la

norma NCh 158. Of67 – Cementos – Ensayos de flexión y compresión de morteros de

cemento (Ref 20). En esta norma se establecen las resistencias mínimas a compresión y

resistencias mínimas a flexión, a edades de 7 y 28 días, para los cementos corrientes y

de alta resistencia, cuyos valores se muestran a continuación.

Tabla IV. Requisitos de resistencias mínimas.

Resistencia mínima a la

compresión

Resistencia mínima a la

flexión

Grado

7 días

kg/cm2

28 días

kg/cm2

7 días

kg/cm2

28 días

kg/cm2

Corriente 180 250 35 45

Alta resistencia 250 350 45 55


30

- Para la determinación de la deformación debida a exposición a solución

sulfatada se utilizó la norma ASTM C 1012 – Standard Test Method for Length Change

of Hydraulic Cement Mortars Exposed to a Sulfate Solution (Ref 24).


31

Capítulo 3.

PLANTEAMIENTO DE LA INVESTIGACIÓN.

En el presente estudio se trabajará con cementos experimentales formados por

un cemento Portland y escoria de cobre dosificada en distintas proporciones, con los

cuales se fabricarán morteros normales que serán sometidos a los distintos ensayos

antes descritos. El plan de trabajo a seguir considera una serie de ensayos, los cuales

se planificaron atendiendo a los requerimientos de tiempo necesario para cada uno. En

una primera etapa se caracterizarán los materiales a utilizar, luego la escoria de cobre

se someterá a molienda y posteriormente a ensayos con el fin de conocer su

composición química y mineralógica, al mismo tiempo que el cemento base se

someterá a ensayos para conocer algunas de sus propiedades químicas de interés para

el presente estudio. Posteriormente se procederá a la fabricación de los cementos

experimentales mediante la mezcla de ambos componentes (cemento Portland y

escoria de cobre) en la dosificación adecuada, las cuales corresponderán a mezclas de

cemento / escoria de cobre a razón de 25% y 40% de escoria con respecto al peso del

cemento Portland. Luego, según el programa de ensayos se procederá con la

fabricación de las probetas correspondientes a los ensayos de mayor duración, de esta

manera se llevaron a cabo los siguientes ensayos: resistencias mecánicas, resistencia

al ataque de sulfatos, expansión en autoclave, calor de hidratación, consistencia

normal, tiempos de fraguado y lixiviación.


32

3.1. Preparación de los cementos a estudiar.

Tabla V. Dosificaciones de cementos experimentales.

Nomenclatura Cemento

(%)

Escoria de cobre

(%)

Patrón 100 0

P25 75 25

P40 60 40

Una vez realizadas las mezclas cemento Portland / escoria de cobre, se procedió

a su homogenización en un equipo mecánico dispuesto en la sección aglomerantes de

IDIEM con el objetivo de obtener los cementos experimentales a utilizar en el presente

estudio.


33

3.2. Programa de ensayos.

Para el presente estudio experimental, se fabricaron probetas de mortero

conforme a los requerimientos de las normas correspondientes, y con la dosificación

que establece la norma chilena NCh 148.

De esta manera, se realizó el siguiente programa experimental de ensayos para

el estudio de los cementos con adición de escoria de cobre.

Tabla VI. Programa de ensayos.

Ensayo Serie

Resistencia

Mecánica

Expansión

Sulfatos

Consistencia

Normal

Tiempo

fraguado

Calor

Hidratación

Expansión

Autoclave

Lixiviación

Patrón X X X X X X

P25 X X X X

P40 X X X X X X X

P40A X

Serie Patrón: Mortero normal (cemento Portland) / (arena).

Serie P25: Mortero normal (cemento Portland y escoria de cobre en un 25% en peso de

cemento) / (arena).

Serie P25: Mortero normal (cemento Portland y escoria de cobre en un 40% en peso de

cemento) / (arena).


34

Capítulo 4.

CARACTERIZACIÓN DE LOS MATERIALES.

4.1. Escoria de cobre.

A partir de una partida representativa de escoria de cobre granallada proveniente

de la fundición Caletones , perteneciente a la división El Teniente de CODELCO, se

procedió a molerla de una manera reproducible controlando el tiempo necesario para

obtener una finura compatible con la del cemento Portland a utilizar en el estudio (finura

de Blaine de 4.400 (cm2/g)). Una vez determinado lo anterior, se procedió a realizar

ensayos para verificar la composición química y mineralógica de la escoria a utilizar.

La escoria granallada utilizada, sacada previo a la molienda posee una

granulometría que se muestra en tabla VII y gráfico I.

Tabla VII. Granulometría Escoria de Cobre antes de molienda.

Tamiz

% que pasa

1¨ (25,000mm) 100,00

¾¨ (19,000mm) 99,22

½¨ (12,500mm) 97,91

3/8¨ (9,500mm) 97,23

4 (4,750mm) 94,32

8 (2,360mm) 54,07

10 (2,000mm) 40,34

30 (0,600mm) 7,35

40 (0,425mm) 6,87

50 (0,300mm) 6,77

100 (0,150mm) 6,72

200 (0,075mm) 6,67


35

Gráfico I. Granulometría Escoria de Cobre antes de molienda.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,01 0,1 1 10 100

Diámetro de partícula (mm)

Por

cent

aje

que

pasa

(%

)

Curva GranulométricaEscoria de Cobre

4.1.1. Molienda.

La escoria de cobre se molió con objetivo de aumentar su reactividad con el

cemento Portland durante la hidratación de la mezcla cemento / escoria.

Con el fin de lograr una molienda reproducible y homogénea, se tamizó de

manera previa el material a moler, utilizando para esto la malla N° 4, excluyendo así las

partículas de mayor diámetro, con el fin de utilizar las partículas con mayor contenido

vítreo.

Posteriormente se procedió a moler esta escoria, en un molino de bolas (ubicado

en la Planta Piloto Cerrillos de IDIEM) con capacidad máxima de 5 kg de material, en

cantidades de a 3 kg durante tiempos de molienda de: 3 horas (finura 1) y 4 horas

(finura 2) respectivamente.

Para ambos tiempos de molienda se busca que las respectivas finuras sean tales

que la cantidad porcentual retenida en el tamiz 325 (0,044 mm) sea inferior al 15%, lo


36

cual estaría cerca de lo que especifica la norma NCh 161 Of69 – Puzolana para el uso

en cementos – Especificaciones, la que exige una cantidad menor o igual a 12%

retenida en el tamiz 325 solamente para la determinación de la actividad de la puzolana.

De esta manera, obteniendo una finura así se podría presumir que será posible apreciar

de buena manera las propiedades puzolánicas de la escoria de cobre.

El molino utilizado cuenta con la siguiente carga de bolas.

Tabla VIII. Carga de bolas del molino.

Diámetro (mm) Peso (g) Cantidad

2,8 80 5

3,6 180 20

3,8 220 25

4,8 480 22

5,3 560 5

5,8 820 7

7,8 2000 8

10,0 4000 2

Una vez concluida la molienda de la totalidad del material, para ambas finuras, se

procedió a homogeneizarlo de manera mecánica.

Para cada uno de los tiempos de molienda bajo las condiciones descritas

anteriormente, se obtuvo las siguientes finuras dadas por la superficie específica de

Blaine y los porcentajes de escoria retenida en el tamiz 325.

Tabla IX. Superficie específica escoria y material retenido por tamiz 325.

Finuras Retenido Tamiz 325

(%)

Superficie específica (Blaine)

(cm2/g)

Finura 1 (3 horas de molienda) 14,35 4298

Finura 2 (4 horas de molienda) 12,85 4307


37

4.1.2. Caracterización química.

Para la determinación de la composición química de la escoria de cobre se

realizó un análisis de Fluorescencia de Rayos X a una muestra de escoria.

Este ensayo de Fluorescencia de Rayos X fue realizado por el Laboratorio de

Rayos X del departamento de Ingeniería Metalúrgica de la Universidad de Santiago de

Chile, y sus resultados se muestran el la tabla X.

Tabla X. Resultados Análisis por Fluorescencia de Rayos X.

Elemento Concentración

(%)

Óxido

Concentración

(%) Fe 46,70 Fe2O3 66,76

O 35,95 --- ---

Si 10,64 SiO2 22,76

Al 1,82 Al2O3 3,44

Cu 1,15 CuO 1,43

Ca 0,88 CaO 1,23

Na 0,62 Na2O 0,83

K 0,57 K2O 0,68

Mg 0,46 MgO 0,76

Ti 0,31 TiO2 0,52

S 0,24 SO3 0,61

Mo 0,24 MoO3 0,36

Zn 0,23 ZnO 0,29

Cr 0,06 CrO3 0,11

Pb 0,04 PbO2 0,04

P 0,03 P2O5 0,06

Mn 0,03 MnO2 0,04

Sb 0,03 Sb2O5 0,04

Ba 0,02 BaO 0,03

Zr 0,01 ZrO2 0,01

Sr 0,009 SrO 0,01


38

De la misma manera, se realizó a la escoria de cobre un análisis químico según

la norma NCh 147 Of69 con el fin de detectar algún componente en exceso, ya sea de

SO3 ó de MgO, el cual al ser agregado en cierta proporción al cemento Portland podría

tener consecuencias nocivas en sus propiedades.

Los resultados del análisis químico según norma NCh 147 Of69: Contenido de

trióxido de azufre (SO3); Contenido de óxido de magnesio (MgO)) realizado a las

muestras de escoria de cobre, se muestran en la tabla XI.

Tabla XI. Análisis químico escoria de cobre.

4.1.3. Caracterización mineralógica.

La caracterización mineralógica se obtiene mediante un análisis de Difracción de

Rayos X, el cual fue realizado por el Laboratorio de Cristalografía del Departamento de

Física de la Universidad de Chile.

Especificaciones de la medida y tratamiento de datos:

• Instrumento: Difractómetro SIEMENS D5000, para muestras policristalinas.

• Longitud de onda utilizada: λ = 1,54 A, correspondiente a un ánodo de Cu.

• Potencia utilizada: 40 KV / 30 mA.

• Rango de medida:2° - 80° en 2 θ.

• Paso: 0,02° por segundo.

• Software para análisis de datos: Difract plus.

Ensayo Resultado

(%)

Contenido SO3 0,05

Contenido MgO 0,83


39

Los máximos de difracción más importantes se pueden observar en la Tabla 1 del

Anexo 1, donde también se encuentran el difractograma obtenido, 2θ vs CPS (cuentas

por segundo) en la Figura 1 – Anexo 1, y el difractograma una vez realizada la

identificación mediante la base de datos en la Figura 2 – Anexo 1.

En este análisis se han encontrado las siguientes coincidencias entre la base de

datos y el difractograma obtenido:

Nombre Fórmula

Iron Magnesium Oxide Fe2MgO4

Olivine Fe2(SiO4)

4.2. Caracterización Cemento Portland.

El cemento Portland utilizado en el presente estudio corresponde a un cemento

grado alta resistencia que cumple con la Norma Chilena NCh 148 Of.68. Por sus

características puede ser asimilado al tipo I ASTM, grado 42,5 R de la Norma de la

Unión Europea de cementos EN – 197, como HE según ASTM C – 1157. La marca

comercial de este cemento es Melón Súper y sus características principales se

muestran a continuación.

Tabla XII. Valores característicos del cemento Portland (Melón Super).

Fraguado inicial 95 (minutos)

Fraguado final 150 (minutos)

Superficie específica

(Blaine)

4.400 (cm2/g)

Densidad real 3,0 (g/cm3)


40

Tabla XIII. Análisis químico cemento Melón Super.

La elección de este cemento se debió principalmente a que el cemento Melón

Super es un Portland sin adiciones, con lo cual se podrá apreciar de mejor manera las

propiedades puzolánicas de la escoria de cobre.

4.2. Arena Normal . (Ref 21)

Arena silícea dividida en tres fracciones: fina, media y gruesa. Cada saco de

arena de 1500 g (500 g fina, 500g media, 500g gruesa) es dosificado y envasado en la

Planta Piloto de Cerrillos de IDIEM.

Los requisitos generales que debe cumplir la arena normal se definen en la

norma NCh 163. Of79 - “Áridos para morteros y hormigones – Requisitos generales”. En

ésta se señala que los áridos deben estar constituidos por partículas duras, de forma y

tamaño estables y, en general, libres de impurezas que afecten la resistencia y

durabilidad de morteros y hormigones, para lo cual se especifican límites para diversos

factores.

4.3. Agua.

El agua utilizada en los ensayos es agua potable.

Ensayo Resultado

(%)

Pérdida por calcinación 1,8

Residuo insoluble 0,8

Contenido SO3 2,9

Contenido MgO 1,1


41

4.4. Aditivo.

El aditivo utilizado para la fabricación del mortero de cemento con un 40% de

reemplazo de escoria es un aditivo reductor de agua de alto rango que debe ser

agregado en el agua de amasado, en una dosis recomendada por el fabricante de 1,2%

con respecto al peso de cemento. El nombre comercial de este reductor de agua es

Aqua Infinitud de marca Ulmen.


42

Capítulo 5.

PRESENTACIÓN DE RESULTADOS.

5.1. Pasta de cemento.

Según la norma NCh 151. Of68, se tiene para las muestras: Patrón, P25 y P40,

las siguientes cantidades de agua (Tabla XIV) como porcentaje en peso del cemento

seco (cemento + escoria), con aproximación de 0,1, para lograr consistencia normal de

la pasta.

Y de la misma manera, según la norma NCh 152. Of71, se tiene para las

muestras: patrón, P25 y P40, los siguientes tiempos de fraguado inicial y final.

Tabla XIV. Propiedades del cemento fresco.

Tiempo de fraguado Serie Adición

escoria

(%)

Porcentaje de

agua

(%) Inicial

(min)

Final

(min)

Patrón 0 28,6 150 200

P25 25 26,4 220 300

P40 40 24,6 230 330


43

Gráfico II. Consistencia Normal.

0

5

10

15

20

25

30

35

0 10 20 30 40 50

Adición de escoria (%)

Can

tidad

de

agua

(%

)

% de agua en funcion de% de escoria

Gráfico III. Tiempos de Fraguado.

150

220230

200

300

330

0

50

100

150

200

250

300

350

Patrón P25 P40

Tie

mpo

(m

in)

Inicio Fraguado

Fin Fraguado


44

En el gráfico anterior las rectas de color rojo representan los tiempos mínimos de

inicio de fraguado para cemento de grado alta resistencia (45 minutos) y corriente (60

minutos) dados por la norma NCh 152. Of71.

5.2. Calor de hidratación.

Según la norma ASTM C 186 – Standard Test Method for Heat of Hydration of

Hydraulic Cement, se tiene para las muestras: patrón, P25 y P40, los siguientes valores

para el calor de hidratación de las muestras a las respectivas edades, Tabla XV.

Tabla XV. Calor de hidratación.

Calor de Hidratación

Edad

(horas)

Patrón

(J/g)

P25

(J/g)

P40

(J/g)

12 260,0 132,2 95,8

24 315,0 227,0 164,8

72 318,0 265,6 221,8

120 320,0 268,4 225,5

168 321,0 273,2 229,5

Gráfico IV. Calor de Hidratación

0

50

100

150

200

250

300

350

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

Edad (horas)

Cal

or d

e H

idra

taci

ón(J

/g)

P25

P40

Patrón


45

5.4. Resistencias Mecánicas.

Se efectuaron ensayos de resistencia a flexotracción y compresión, según la

norma chilena NCh 158. Of67, en probetas curadas en la cámara húmeda a las series:

Patrón, P25, P40 a edades de 7, 28 y 60 días, obteniéndose los resultados que a

continuación se presentan, Tabla XVI.

Tabla XVI. Resistencia a Flexotracción y Compresión a 7, 28 y 60 días.

Resistencia (Flexión, Compresión)

(kgf/cm 2)

Serie

Adición

escoria

(%)

7 días 28 días 60 días

Patrón 0 76,0 493,5 86,0 643,0 85,5 680,5

P25 25 56,5 328,0 68,5 457,0 72,5 534,5

P40 40 41,0 190,0 53,0 310,5 65,5 388,5

P40A 40 51,0 421,0 64,0 565,0 66,0 636,0

Gráfico V. Desarrollo de resistencia a flexotracción en función del tiempo.

0,0

10,0

20,0

30,0

40,0

50,0

60,0

70,0

80,0

90,0

100,0

0 10 20 30 40 50 60 70

t (días)

Res

iste

ncia

(kg

f/cm

^2)

Patrón

P25

P40

P40A


46

Gráfico VI. Desarrollo de resistencia a flexotracción en función del tiempo.

0,0

10,0

20,0

30,0

40,0

50,0

60,0

70,0

80,0

90,0

100,0

7 28 60

Edad (días)

Res

iste

ncia

(kg

f/cm

^2)

Patrón

P25

P40

P40A

Gráfico VII. Desarrollo de resistencia a compresión en función del tiempo.

0,0

100,0

200,0

300,0

400,0

500,0

600,0

700,0

800,0

0 10 20 30 40 50 60 70

t (días)

Res

iste

ncia

(kg

f/cm

^2)

Patrón

P25

P40

P40A


47

Gráfico VIII. Desarrollo de resistencia a compresión en función del tiempo.

0,0

100,0

200,0

300,0

400,0

500,0

600,0

700,0

800,0

7 28 60

Edad (días)

Res

iste

ncia

(kg

f/cm

^2)

Patrón

P25

P40

P40A

En los gráficos VI y VIII las rectas de color rojo representan las resistencias

mínimas para cemento de grado alta resistencia , y las de color azul representan las

resistencias mínimas para cementos de grado corriente dados por la norma NCh 158.

Of67.


48

5.5. Resistencia al ataque de Sulfatos.

Según la norma ASTM C1012 - Standard Test Method for Length Change of

Hydraulic – Cement Mortars Exposed to a Sulfate Solution, se tiene para las muestras:

patrón y P40, las siguientes medidas de expansión (Tabla XVII) dada por el ataque de

Sulfatos, durante 8 semanas.

Tabla XVII. Valores expansión por sulfatos.

Expansión

(%)

Semana

Patrón P40

1 0,00328 0,00262

2 0,00525 0,01575

3 0,00722 0,01312

4 0,01575 0,02756

5 0,01706 0,04724

6 0,01969 0,06562

7 0,01969 0,08793

8 0,02165 0,10761

Estas medidas corresponden a los valores promedio de la deformación de 6

probetas en el caso del Patrón y de 3 probetas en el caso de la serie P40, esto se debió

a que para la última se rompieron las restantes al desmoldarlas dada la poca resistencia

que había alcanzado la mezcla al final del curado.

Las probetas que se lograron desmoldar exitosamente se dejaron en la cámara

húmeda hasta que alcanzaran la resistencia requerida por la norma, cosa que sucedió

con dos semanas de diferencia entre el Patrón y P40.

Una vez alcanzada la resistencia requerida, se procedió a sumergir las probetas

en la solución sulfatada, y se dejó aparte dos probetas de cada serie, las que se


49

sumergieron en agua, para poder desagregar la expansión total en expansión hidráulica

y expansión neta dada por los sulfatos.

Gráfico IX. Expansión por sulfatos.

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Semana

Exp

ansi

ón (

%)

Patrón

P40

En el gráfico anterior la recta de color rojo representa el límite de expansión

debido a la acción de sulfatos dado por la norma ASTM C1012 - 04.

5.6. Expansión en Autoclave.

Este es un ensayo acelerado que pretende representar a corto plazo lo que

pueda suceder con el mortero en la práctica después de varios meses o años. Consiste

básicamente en la determinación de la expansión o contracción sufrida por la pasta de

cemento sometida a una conservación en atmósfera saturada por vapor de agua. Este

cambio de longitud se debe principalmente a la presencia de óxido de magnesio en el

cemento experimental.


50

Según la norma NCh 157. Of67, se tiene para las muestras: patrón y P40, las

siguientes medidas de expansión dada por el autoclave, Tabla XVIII.

Tabla XVIII. Expansión en autoclave.

Serie Expansión

(%)

Patrón 0,01

P40 0,08

Gráfico X. Expansión en autoclave.

0,00

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0,07

0,08

0,09

0 40

Adición de escoria de cobre (%)

Exp

ansi

ón (

%)

Expansión en función de adición deescoria

Estas medidas corresponden al promedio de expansión en autoclave de 2

probetas por cada serie.


51

5.7. Lixiviación.

El test de lixiviación (TCLP) inorgánico a las probetas ya ensayadas a resistencia

mecánica correspondientes a la serie P40 se hizo mediante el método USEPA 1311, el

cual fue realizado por el Centro Nacional de Medio Ambiente (CENMA), Laboratorio de

química y Referencia medio ambiental. Este test permite detectar la presencia de los

siguientes elementos químicos en los lixiviados de las probetas previamente molidas:

Arsénico (As), Bario (Ba), Cadmio (Cd), Cromo (Cr), Plomo (Pb), Selenio (Se), Plata

(Ag) y Mercurio (Hg).

Las edades de las probetas a la hora del análisis fue de aproximadamente 4

meses.

Los resultados obtenidos para la Determinación de la característica de toxicidad

por lixiviación (TCLP), Método USEPA 1311, SW846; Determinación de metales

pesados por ICP-OES, Método USEPA 6010B, SW-846; Determinación de Hg por

espectropia de absorción atómica con vapor frío, Método USEPA 7470 A, SW-846, son

los siguientes.

Tabla XIX. Resultados lixiviación.

Concentración (mg/L) Muestra

Arsénico Bario Cadmio Cromo Plomo Selenio Plata Mercurio

P40 0,014 1,02 <LD <LD <LD <LD <LD 6,16⋅10-3

Nivel

Regulatorio

5,0 100,0 1,0 5,0 5,0 1,0 5,0 0,2

Límite de

Detección

2,8⋅10-2 1,2⋅10-4 7,70⋅10-4 5,43⋅10-3 3,2⋅10-3 2,12⋅10-2 5,6⋅10-4 3,0⋅10-4

Límite de

Cuantificación

9,3⋅10-2 4,0⋅10-4 2,57⋅10-3 1,81⋅10-2 1,1⋅10-2 7,07⋅10-2 1,9⋅10-3 1,0⋅10-3

Donde <LD significa menor que el Límite de detección.


52

Capítulo 6.

ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS.

6.1. Caracterización de la escoria de Cobre.

Los valores obtenidos para la concentración de cada elemento químico

componente de la escoria de cobre y los obtenidos por la bibliografía desde la misma

fuente, es decir la fundición de Caletones, muestran que el producto utilizado en el

estudio es un material de características prácticamente homogéneas en el tiempo, lo

que es producto del control que se requiere del proceso de producción y refinación del

cobre.

Con respecto al análisis químico de la escoria de cobre según la norma NCh 147.

Of69, se tiene que el contenido de SO3 para ambas dosificaciones, 25% y 40% de

escoria, cumple con la cota máxima dada por la norma.

La molienda de la escoria de cobre presentó gran dificultad desde el punto de

vista técnico al no contar con un molino de mayor energía para intentar alcanzar una

superficie específica mayor a la lograda. La finura de la escoria de cobre varió entre

4.298 (cm2/g) y 4307 (cm2/g), a pesar que la diferencia de tiempo de molienda entre una

y otra fue de una hora, lo que demuestra que la escoria de cobre presenta una gran

dureza por lo que se requiere un alto nivel de energía para lograr un consecuente nivel

de finura.

6.2. Pasta de cemento: agua de consistencia normal.

De los resultados obtenidos para el ensayo de la determinación de la cantidad de

agua para pastas de consistencia normal se puede apreciar como era de esperar, una

disminución del porcentaje de agua necesario para lograr consistencia normal a medida


53

que se aumenta el porcentaje de escoria de cobre adicionado a la mezcla. En cementos

con un 25 % de adición de escoria de cobre la cantidad de agua disminuye en un 2,2%

con respecto a la correspondiente para el cemento patrón, mientras para el cemento

con 40% de adición la cantidad de agua para lograr consistencia normal disminuye en

un 4% con respecto al patrón (0% de adición de escoria de cobre).

Esta disminución del agua necesaria para alcanzar la consistencia normal se

debe principalmente a la disminución del cemento presente en la pasta, ya que la

escoria no debería presentar requerimientos de agua.

6.3. Determinación del tiempo de fraguado.

De los resultados obtenidos para el ensayo de determinación del tiempo de

fraguado se puede apreciar que tanto el tiempo de fraguado inicial como el final

aumenta al aumentar la adición de escoria de cobre en la mezcla. Para la dosificación

P25 se aprecia un aumento del 47% del tiempo de fraguado inicial y un aumento del

50% del tiempo de fraguado final, mientras que para la dosificación P40 se tuvo un

aumento del 53% para el tiempo de fraguado inicial y del 65% para el tiempo de

fraguado final.

Por otro lado, se puede apreciar que para todas las dosificaciones se cumple el

tiempo de fraguado inicial mínimo y el tiempo de fraguado final máximo impuesto por la

norma NCh 152. Of68, tanto para cementos de grado corriente como para los de alta

resistencia.

De esta manera se puede desprender que la escoria de cobre actúa en alguna

manera como retardador de fraguado del cemento.


54

6.4. Calor de hidratación.

De los resultados obtenidos para el ensayo de la determinación del calor de

hidratación, se puede apreciar para las distintas dosificaciones que la evolución del

calor de hidratación en el tiempo son muy similares en forma, aumentando de manera

muy pronunciada en las primeras horas y amortiguándose esta curva con el tiempo.

De la misma manera se puede apreciar que al aumentar el contenido de escoria

en la mezcla cementicia, el calor de hidratación emitido por la misma disminuye de

manera considerable, confirmando lo esperable, que la escoria de cobre es un material

de mucha menor reactividad que el cemento Portland.

Lo anterior es posible apreciarlo de mejor manera con un análisis porcentual, el

que muestra en que medida el calor de hidratación emitido por el cemento Portland va

disminuyendo al ir reemplazando este último por escoria de cobre, análisis que se

muestra a continuación en la tabla XX.

Tabla XX. Calor de hidratación porcentual.

Calor de Hidratación

Edad

(horas)

Patrón

(%)

P25

(%)

P40

(%)

12 100,0 50,8 36,9

24 100,0 72,1 52,3

72 100,0 83,5 69,8

120 100,0 83,9 70,5

168 100,0 85,1 71,5


55

6.5. Resistencia a la flexotracción y a la compresi ón.

Los resultados de los ensayos de resistencia mecánica realizados a las distintas

dosificaciones se pueden apreciar de mejor manera para su análisis como porcentaje

de la resistencia del mortero Patrón como se muestra a continuación.

Tabla XXI. Resistencia Flexotracción porcentual.

Serie 7 días

(%)

28 días

(%)

60 días

(%)

Patrón 100,00 100,00 100,00

P25 74,34 79,63 84,80

P40 53,95 61,63 76,61

P40A 67,11 74,42 77,19

Tabla XXII. Resistencia Compresión porcentual.

Serie 7 días

(%)

28 días

(%)

60 días

(%)

Patrón 100,00 100,00 100,00

P25 66,46 71,07 78,55

P40 38,50 48,29 57,09

P40A 85,31 87,87 93,46

La reducción de resistencia mecánica asociada a la incorporación de escoria de

cobre al cemento Portland se aprecia algo mas importante en flexotracción que en

compresión, disminución que no es lineal con el porcentaje de adición.

Los resultados oscilan entre un 76,61% y un 84,80% de la resistencia del

cemento Patrón para la flexotracción y entre un 57,09% y 78,55 % para la compresión,

lo que indicaría un aporte de resistencia dado por la escoria de cobre, sobre todo en la

dosificación P25.


56

Las resistencias logradas por el mortero P25 a 7 y 28 días cumplen con los

requerimientos de resistencia mínima a la compresión y a la flexión, tanto como para

cementos de grado corriente como de alta resistencia, dados por la norma NCh 148

Of68. De la misma manera el mortero P40 cumple con los requerimientos de resistencia

mínima a la compresión y a la flexión sólo para los cementos de grado corriente.

Se puede apreciar que la adición del reductor de agua a la dosificación P40

aumentó considerablemente sus resistencias, sobre todo la resistencia a la compresión,

obteniendo las más altas de todas las dosificaciones, reduciendo de manera

significativa la diferencia con el cemento Portland.

6.6. Resistencia al ataque de Sulfatos. (Norma ASTM C1012 - 04)

De los resultados obtenidos para el ensayo de cambios de longitud de morteros

de cementos hidráulicos expuestos a una solución de sulfatos, se puede apreciar que la

expansión total de la dosificación P40 alcanza a ser aproximadamente cinco veces la

expansión presentada por el cemento Portland, alcanzando un 0,021% el cemento

Portland y un 0,1% el P40. Esto mostraría que el cemento experimental P40 no es

resistente al ataque de sufatos, ya que supera el límite de deformación dado por la

norma ASTM C1012 de 0,048%.

La expansión total se desagregó en expansión hidráulica y expansión neta por la

exposición a la solución sulfatada, como se aprecia gráficamente a continuación.


57

Gráfico XI. Hinchamiento por inmersión en agua.

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0,14

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Semana

Hin

cham

ient

o (%

)

Patrón

P40

Gráfico XII. Expansión por sulfatos neta.

-0,02

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0,14

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Semana

Exp

ansi

ón p

or S

ulfa

to N

eta

(%)

Patrón

P40


58

Como se puede apreciar, el hinchamiento por inmersión hidráulica es mayor para

el cemento Patrón que para la adición de escoria P40, tendencia que se revierte en las

últimas semanas. Al contrario, la expansión neta dada por la acción de la solución

sulfatada es mucho mayor para la probeta P40 que para la del cemento Patrón.

Cabe notar que las oscilaciones que presenta la expansión hidráulica son de

magnitudes mínimas, las cuales son menores a la dispersión asociada al operador.

De manera inspectiva, se pudo apreciar que las probetas de la dosificación P40

inmersas en la solución sulfatada presentaron un mayor deterioro externo que sus

probetas compañeras inmersas en agua, al igual que con las probetas del cemento

Patrón inmersas en la solución sulfatada.


59

6.7. Expansión en Autoclave.

Los resultados obtenidos para el ensayo de la expansión en autoclave muestran

que la dosificación P40 presenta una expansión mayor que el cemento patrón, de

aproximadamente ocho veces la primera, pero aún así esta expansión no es

considerable, ya que la dispersión de los resultados asociada al operador es de un

0,1%, la cual es incluso mayor que la expansión alcanzada por la dosificación P40, la

que fue de 0,08%.

La expansión en autoclave obtenida para la probeta con escoria de cobre cumple

ampliamente los requerimientos de la norma, la cual exige como máximo una expansión

del 1%.

6.8. Lixiviación.

Los resultados del test de lixiviación muestran que para la dosificación P40, el

liquido lixiviado contiene elementos tóxicos cuantificables entre sus componentes, los

cuales son: Arsénico, Bario y Mercurio.

Las concentraciones de estos elementos son mínimas con respecto a el nivel

regulatorio (los que se pueden apreciar en la presentación de resultados), 0,28% en el

caso del arsénico, 1% en el caso del bario y 3% en el caso del mercurio.


60

Capítulo 7.

CONCLUSIONES.

La preocupación por la generación de residuos en procesos industriales y

mineros viene generando, en forma creciente, una tendencia mundial a buscar y

estudiar nuevas formas de utilización ó aprovechamiento de estos residuos. En esta

búsqueda, se estudia la utilización de la escoria de cobre generada en el proceso

pirometalúrgico de refinamiento del cobre llevado a cabo en la fundición Caletones de la

división El Teniente de CODELCO, utilizándola como adición en la fabricación de

cementos hidráulicos.

En el presente estudio se fabricaron tres cementos experimentales, los que se

diferenciaban entre sí por la cantidad de escoria de cobre agregada en reemplazo de

cemento Portland, los cuales fueron los siguientes: cemento Portland con 25% de su

peso reemplazado por escoria de cobre, cemento Portland con 40% de su peso

reemplazado por escoria de cobre y el último idéntico al anterior, pero con aditivo

reductor de agua. A estos cementos se les realizó una serie de ensayos estandard con

el fin de estudiar los efectos de las adiciones de escoria de cobre en las propiedades de

morteros en estado fresco y endurecido, estudiar las propiedades puzolánicas de la

escoria de cobre y la capacidad de retención de elementos químicos contaminantes en

el mortero a mediano y largo plazo.

En base a los respectivos ensayos estándar se pudo apreciar en general que las

propiedades de morteros en estado fresco desarrolladas por los cementos con adición

de escoria de cobre, cumplen con los requisitos mínimos de tiempo de fraguado

establecidos en la normativa nacional para los cementos en ambas graduaciones, alta

resistencia y corriente. Por otro lado, al comparar el tiempo de fraguado respecto al

cemento Portland sin adición, la escoria se comporta como un retardante de fraguado.


61

Por otro lado, las resistencias mecánicas desarrolladas por los cementos

fabricados en el presente estudio, superan los requisitos mínimos establecidos por la

normativa chilena para los cementos nacionales de grado corriente y de alta resistencia

en el caso del cemento con un reemplazo de 25 % de escoria de cobre, y los requisitos

mínimos establecidos por la norma para los cementos de grado corriente en el caso del

cemento con un reemplazo de 40% de escoria de cobre. De la misma manera se pudo

establecer que la resistencia mecánica de los morteros con adición de escoria de cobre

disminuye al aumentar el porcentaje de adición. Pero esta resistencia se ve

drásticamente aumentada al agregar al cemento experimental un aditivo reductor de

agua, abriendo una interesante puerta a la utilización de la escoria de cobre. Cabe notar

que el desarrollo de resistencia por aporte de la escoria de cobre es un proceso lento,

pudiéndose notar de mejor manera en los resultados a una edad de 60 días.

En cuanto a la emisión de calor de hidratación de las mezclas, se estableció que

disminuye de manera importante en la medida que aumenta el porcentaje de adición de

escoria de cobre, propiedad no menos importante, ya que esto abriría una posibilidad

de uso de la escoria de cobre como adición al cemento en obras que utilizan cementos

en grandes masas, las cuales tienen como problema importante el control de la

temperatura del hormigón en elementos masivos por la gran cantidad de calor de

hidratación del cemento, para evitar eventual agrietamiento.

En contraposición a lo anterior se puede apreciar una desventaja en el hecho

que los cementos con adición de escoria de cobre sometidos al ensayo estandard,

según se pudo apreciar en los resultados, no presentan buen comportamiento frente al

ataque de sulfatos al incrementar las reacciones expansivas del mortero con cemento

Portland, sobrepasando de manera importante el límite de deformación permitido por la

normativa internacional.

Una ventaja no menor que deja al descubierto la presente investigación es que

los morteros de cemento con adición de escoria de cobre presentan una buena

capacidad de retención de elementos químicos contaminantes, ya que las

concentraciones de estos que son lixiviados al ser sometidos a ensayo estandard son

no cuantificables en su gran mayoría y muy pequeñas con respecto a los niveles


62

regulatorios en el caso del arsénico, bario y mercurio, lo que permite catalogar a los

morteros con adición de escoria de cobre como un material no tóxico para el medio

ambiente, no habiendo problemas para utilizarlo en las cercanías de ríos o algún otro

tipo de flujo de agua.

A partir de los resultados obtenidos en los ensayos desarrollados en el presente

estudio, se puede concluir que es factible la utilización de la escoria de cobre como

adición de cemento Portland. Esta factibilidad se puede ver optimizada, tanto técnica

como económicamente, realizando ensayos de optimización de mezclas a escala de

hormigones, los que deberían apuntar a: encontrar un nivel óptimo de molienda, en el

cual se considere el gasto energético de alcanzar cierto grado de molienda y sus

beneficios aglomerantes; estudiar los beneficios que tendría la incorporación de la

escoria de cobre como adición directamente en la molienda del clínquer; dosificación de

la cantidad de yeso en la mezcla cementicia, ya que la escoria por si sola actúa como

retardador de fraguado; estudiar de manera más acabada la dosificación óptima en la

cantidad de adición; estudiar la factibilidad de utilizar la escoria de cobre granallada

como árido fino en la fabricación de morteros; entre otros.


63

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66

ANEXOS


67

ANEXO A.

#889 Escoria De Cobre

Operations: Smooth 0.092 | Background 1.000,1.000 | ImportC:\DIFFPLUS\di ffdat2\IDIE M889.RAW - Fil e: IDIEM889.RAW - Type: 2Th/Th lock ed - Star t: 2.000 ° - End: 80.000 ° - Step: 0.020 ° - Step time: 1. s - Temp.: 25 °C ( Room) - Tim e Started: 17 s - 2- Theta:

Lin

(Cps

)

0

1 0

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0

7 0

8 0

9 0

1 00

2-Theta - Sca le

2 1 0 2 0 3 0 4 0 50 60 70 80

Figura 1. Difractograma obtenido, 2θ vs CPS (cuentas por segundo).


68

#889 Escoria De Cobre

80-0948 (C) - Olivine - Fe2(SiO4) - Y : 58.33 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Orthorhombic - I/Ic PDF 1.5 - S- Q 75.9 % - 73-2211 (C) - Iron Magnesium Ox ide - Fe2MgO4 - Y: 50.00 % - d x by : 1. - WL: 1.5406 - Cubic - I/Ic PDF 3.9 - S-Q 24.1 % - Operations: Smooth 0.092 | Background 1.000,1.000 | ImportC:\DIFFPLUS\di ffdat2\IDIEM889.RAW - File: IDIEM889.RAW - Type: 2Th/Th locked - Star t: 2.000 ° - End: 80.000 ° - Step: 0.020 ° - Step time: 1. s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 17 s - 2-Theta:

Lin

(Cps

)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

2-Theta - Scale

2 1 0 2 0 3 0 40 50 60 70 80

Figura 2. Difractograma una vez realizada la identificación mediante la base de datos.


69

Tabla I. Datos de mayor importancia dentro del Difractograma.

Ángulo Distancia

Interplanar

Intensidad Intensidad

2-Theta ° Angstrom Cps %

16,94 5,231 11 13

18,31 4,842 7 8

20,26 4,380 7 8

22,39 3,968 9 10

23,55 3,774 7 8

25,06 3,550 49 55

29,40 3,036 7 8

30,17 2,960 15 18

31,65 2,825 88 100

34,10 2,628 21 24

34,99 2,562 50 57

35,54 2,524 45 52

35,95 2,496 61 69

37,35 2,406 21 24

38,32 2,347 8 10

39,11 2,301 16 18

41,21 2,189 9 10

43,19 2,093 12 14

49,71 1,832 8 9

51,41 1,776 48 54

53,84 1,701 9 10

54,67 1,677 9 10

55,72 1,648 15 17


70

Tabla I (continuación). Datos de mayor importancia dentro del Difractograma.

Ángulo Distancia

Interplanar

Intensidad Intensidad

2-Theta ° Angstrom Cps %

56,67 1,623 12 14

57,42 1,607 9 10

58,11 1,586 4 5

62,68 1,481 15 17

65,27 1,428 8 9

68,33 1,372 5 6


71

ANEXO B.

DATOS EXPERIMENTALES Y MEMORIA DE CÁLCULOS.

Determinación de la consistencia normal y tiempos d e fraguado.

Tabla I.

Serie

Cantidad agua

(ml) t1 t2 t3

Patrón 143 11 30 14 00 14 50

P25 132 11 40 15 20 16 40

P40 123 11 50 15 40 17 20

Tabla II.

Serie

Cantidad

Agua % de agua

Inicio

fraguado

Fin

fraguado

(ml) (min) (min)

Patrón 143 28,6 150 200

P25 132 26,4 220 300

P40 123 24,6 230 330


72

Resistencias mecánicas.

Tabla III.

7 días 28 días 60 días

flexión compresión flexión compresión flexión compresión

(kgf/cm 2) (kgf/cm 2) (kgf/cm 2)

Patrón 76,0 492,0 85,0 641,0 87,0 681,0

76,0 495,0 87,0 645,0 84,0 680,0

76,0 493,5 86,0 643,0 85,5 680,5

P25 59,0 336,0 68,0 471,0 71,0 514,0

54,0 320,0 69,0 443,0 74,0 555,0

56,5 328,0 68,5 457,0 72,5 534,5

P40 47,0 233,0 58,0 365,0 66,0 389,0

35,0 147,0 48,0 256,0 65,0 388,0

41,0 190,0 53,0 310,5 65,5 388,5

P40A 51,0 421,0

Cada uno de los valores corresponde al promedio de tres probetas ensayadas,

como lo indica la norma chilena NCh 158. Of67.


73

Expansión por sulfatos.

Tabla IV. Cemento Patrón, primeras 4 semanas.

Lectura

Probeta semana 0 semana 1 semana 2 semana 3 semana 4

17-04-06 24-04-06 01-05-06 08-05-06 15-05-06

en agua 1 12,13 12,14 12,15 12,15 12,16

en agua 2 11,72 11,73 11,74 11,75 11,77

3 11,9 11,9 11,91 11,91 11,93

4 11,52 11,53 11,54 11,54 11,56

5 12,46 12,47 12,47 12,48 12,5

6 12,34 12,35 12,35 12,36 12,38

7 12,11 12,12 12,13 12,13 12,15

8 12,94 12,95 12,95 12,96 12,99

Cambios de longitud

1 0 0,01 0,02 0,02 0,03

2 0 0,01 0,02 0,03 0,05

3 0 0 0,01 0,01 0,03

4 0 0,01 0,02 0,02 0,04

5 0 0,01 0,01 0,02 0,04

6 0 0,01 0,01 0,02 0,04

7 0 0,01 0,02 0,02 0,04

8 0 0,01 0,01 0,02 0,05

Patrón 11,42 11,42 11,42 11,42 11,42

Expansion promedio % 0 0,00328 0,00524 0,00721 0,01574

Expansion por agua % 0 0,00394 0,00787 0,00984 0,01574

Expansion por sulfato neta % 0 -0,00065 -0,00262 -0,00262 0,00468


74

Tabla V. Cemento Patrón, semana quinta a octava.

Lectura

Probeta semana 5 semana 6 semana 7 semana 8

22-05-2006 29-05-2006 05-06-2006 12-06-2006

en agua 1 12,16 12,16 12,16 12,16

en agua 2 11,77 11,77 11,77 11,75

3 11,93 11,94 11,94 11,95

4 11,57 11,57 11,57 11,58

5 12,5 12,51 12,51 12,51

6 12,39 12,40 12,40 12,40

7 12,15 12,16 12,16 12,16

8 12,99 12,99 12,99 13,00

Cambios de longitud

1 0,03 0,03 0,03 0,03

2 0,05 0,05 0,05 0,03

3 0,03 0,04 0,04 0,05

4 0,05 0,05 0,05 0,06

5 0,04 0,05 0,05 0,05

6 0,05 0,06 0,06 0,06

7 0,04 0,05 0,05 0,05

8 0,05 0,05 0,05 0,06

Patrón 11,42 11,42 11,42 11,42

Expansion promedio % 0,01706 0,01968 0,01968 0,02165

Expansion por agua % 0,01575 0,01575 0,01575 0,01181

Expansion por sulfato neta % 0,00131 0,00394 0,00394 0,00984


75

Tabla VI. Dosificación P40 primeras 4 semanas.

Lectura

Probeta semana 0 semana 1 semana 2 semana 3 semana 4

02-05-06 09-05-06 16-05-06 23-05-06 30-05-06

en agua 1 12,75 12,78 12,78 12,78 12,78

en agua 2 13,3 13,31 13,33 13,33 13,33

3 11,77 11,77 11,8 11,81 11,84

5 12,51 12,52 12,55 12,55 12,59

6 11,54 11,55 11,59 11,59 11,63

Cambios de longitud

1 0 0,03 0,03 0,02 0,02

2 0 0,01 0,03 0,02 0,02

3 0 0 0,03 0,03 0,06

5 0 0,01 0,04 0,03 0,07

6 0 0,01 0,05 0,04 0,08

Patrón 11,42 11,42 11,42 11,41 11,41

Expansion promedio % 0 0,00262 0,01575 0,01312 0,02756

Expansion por agua % 0 0,00787 0,01181 0,00787 0,00787

Expansion por sulfato neta % 0 -0,00525 0,00394 0,00525 0,01969


76

Tabla VII. Dosificación P40, semana quinta a octava.

Lectura

Probeta semana 5 semana 6 semana 7 semana 8

06-06-06 13-06-06 20-06-06 27-06-06

en agua 1 12,78 12,78 12,77 12,79

en agua 2 13,33 13,32 13,32 13,33

3 11,89 11,93 11,98 12,04

4 12,64 12,67 12,73 12,78

5 11,68 11,72 11,78 11,82

Cambios de longitud

1 0,02 0,03 0,02 0,04

2 0,02 0,02 0,02 0,03

3 0,11 0,16 0,21 0,27

4 0,12 0,16 0,22 0,27

5 0,13 0,18 0,24 0,28

Patrón 11,41 11,41 11,41 11,42

Expansion promedio % 0,04724 0,06561 0,08792 0,10761

Expansion por agua % 0,00787 0,00984 0,00787 0,01377

Expansion por sulfato neta % 0,03937 0,05577 0,08005 0,09383


77

Expansión en autoclave.

Tabla VIII.

Li Lf Lpi Lpf delta Expansión

(mm) (mm) (mm) (mm) (%) (%)

Patrón 11,55 11,58 11,42 11,42 0,01181 0,01

11,39 11,42 11,42 11,42 0,01181

P40 11,40 11,62 11,42 11,42 0,08661 0,08

11,65 11,85 11,42 11,42 0,07874


78

ANEXO C.

Imagen 1: Escoria de cobre granallada molida.

Imagen 2: Cemento Patrón.


79

Imagen 3: Dosificación P25.

Imagen 4: Dosificación P40.


80

Imagen 5: Probetas ensayadas a resistencias mecánicas, Cemento Patrón.

Imagen 6: Probetas ensayadas a resistencias mecánicas, Dosificación P40.


81

Imagen 7: Probetas cemento Patrón sumergidas en agua durante 8 semanas.

Imagen 8: Probetas dosificación P40 sumergidas en agua durante 8 semanas.


82

Imagen 9: Probetas sumergidas en agua durante 8 semanas.

Imagen 10: Probetas cemento Patrón sumergidas en solución sulfatada durante 8

semanas.


83

Imagen 11: Probetas dosificación P40 sumergidas en solución sulfatada durante 8

semanas.

Imagen 11: Acercamiento probetas dosificación P40 sumergidas en solución sulfatada

durante 8 semanas.


84

UNIVERSIDAD DE CHILE FACULTAD DE CIENCIAS … · adicionado en la elaboración de cemento Portland...

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